爆炸性消息！史上首次，人类实现了核聚变反应的净能量增益。
净功率增益，即产生的聚变功率与用于加热等离子体的功率之比率。
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），从一个实验性核聚变反应堆中，让核聚变反应产生的能量多于了这一过程中消耗的能量。
这就意味着，人类朝人造太阳的目标，又近了一步。
而化石燃料和传统核能，或将退出历史的舞台！
核聚变反应净能量增益，意味着什么
「核聚变」究竟是什么呢？
简单地说，就是两个轻原子核结合成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。
[今晚，见证历史！人类或首次实现，可控核聚变「重大科学突破」]
我们都知道，万物生长靠太阳，太阳是地球上一切生命的源泉，那太阳的能量来自于哪里呢？
就是核聚变。
在这个热核反应中，两个氢原子碰撞并聚合成氦原子，氦的质量比原来的氢原子略小。
因此，根据爱因斯坦标志性的 E=mc² 质能方程，这个质量差会转化为能量爆发出来。
据报道，当地时间周二，美国能源部（DOE）宣布，研究人员在核聚变方面取得历史性的突破，首次从一个实验性核聚变反应堆中实现了“净能量增益”，这让许多人对未来生成更多的清洁能源充满了希望。
这一突破是由美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）“国家点火装置”（NIF）研究人员在12月5日取得的。
对许多人来说，核聚变可能是一个新概念，但自20世纪40年代以来，科学家们就一直在研究它。但是，研究人员却面临着一个严峻的挑战：如何生产出更多的能量（高于所消耗的能量），这几乎是一个不可逾越的挑战，直至今日。
这一次，研究人员向目标输入了2.05兆焦耳的能量，最终产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，即产生的能量较输入的能量高出50%多。这也是研究人员首次在实验中取得有意义的能量增长。
什么是核聚变呢？
核聚变就是两种较轻的元素结合在一起，形成较重的元素的过程。这与太阳提供能量的方式相同，即氢原子的质子在核心以令人难以置信的高温猛烈碰撞，融合在一起产生氦原子。
在地球上，核聚变是通过融合元素氘（重氢）和氚（超重氢）来实现的。氘的含量非常丰富，可以在水中找到，尤其是海洋中。而氚的含量较低，主要存在于我们的大气中，是宇宙辐射的结果。此外，氚也可以在核爆炸中产生，是核反应堆的副产品。
太阳的巨大引力使它能够聚变氢原子，但要在地球上创造聚变，科学家需要施加大约1亿摄氏度的极高压力和温度，即比太阳核心温度高10倍。
虽然有不同的方法来尝试产生核聚变，但劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）“国家点火装置”（NIF）的研究人员使用了192束激光，聚焦在一个圆柱体的内壁上，该圆柱体内有一个非常小的“胶囊”装置，里面装着聚变燃料：氘和氚。
当激光射向目标时，它们会产生X射线，然后挤压燃料，在极短的时间内蒸发“胶囊”装置，所产生的冲击波会粉碎氢原子，使它们融合并释放能量。
虽然此次产生的能量很小，大约3兆焦耳（足够给一个灯泡供电），但它标志着核聚变能源的历史性首次，因为激光只发射了略高于2兆焦耳的能量，即产生的能量，较输入的能量高出50%多。
它与现有核能有什么不同？
谈及核能，许多人可能会想到我们今天拥有的核反应堆。但不同的是，这些反应堆使用的是“核裂变”。
裂变与聚变正好相反，聚变迫使原子聚集在一起，而核反应堆（裂变）通过分离重原子来产生能量。
核聚变还能产生清洁能源。与核反应堆不同，这一过程不会产生副产品，如核电厂中发现的乏燃料棒（spent rod）。
另外，与裂变不同，核聚变不会发生核熔毁现象，也不能用来制造核武器。
国际原子能机构（IAEA）还解释说，虽然氢弹确实使用聚变反应，但需要第二颗裂变炸弹来引爆它。
为什么说核聚变很重要？
当前，地球正面临着几个世纪以来燃烧化石燃料造成的气候危机。其结果是，洪水、干旱、海平面上升等现象将会加剧。我们已经看到这种情况正在发生，地球变得越暖，这些灾难就会变得越严重。
如今，地球已经变暖了大约1.2摄氏度。根据2015年《巴黎气候协议》设定的目标，我们要在本世纪末将其控制在1.5摄氏度以内，这样才能使与气候相关的灾难减少。因此，科学家和工程师一直在努力开发具有成本效益的清洁能源。
这就是核聚变的用武之地。它不会产生有害的二氧化碳或甲烷，而且效率很高。根据国际原子能机构（IAEA）的说法，聚变每公斤燃料产生的能量是裂变的四倍，是燃烧石油或煤炭的近400万倍。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）周二在一份声明中表示：“这是一项里程碑式的成就，让我们更接近于拥有丰富的零碳聚变能源，从而帮助人们解决人类最复杂和最紧迫的一些问题，包括提供清洁能源来应对气候变化。”
何时才能用聚变作为能源呢？
虽然这是历史性的第一次，但这并不意味着我们已经准备好大规模生产能源。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）负责人金·布迪尔（Kim Budil）称，这一成就是人类有史以来解决的最重大的科学挑战之一。但是，到目前为止，无论是在科学上，还是技术方面，都存在着不小的障碍。
布迪尔说：“这只是一次实验成果，要实现商业聚变能源，必须要持续产生这样的结果，必须要有一个强大的驱动系统来实现这一点。”她还补充说，尽管不需要一些科学家之前预期的那么长的时间，但至少需要几十年的时间才能开发出足够的基础技术来建造一座核聚变电站。
除了美国，还有其他一些国家在研究核聚变。在法国，有一个多方合作的国际热核实验反应堆（ITER），这是一个重2.3万吨、高近30米的大型核聚变反应堆，计划在大约10年后开始运营。
在加拿大，General Fusion等私营公司也在研究相关技术。此外，中国、英国和德国的一些民营企业在致力于聚变方面的研究。
在太阳的核心，每秒都在发生 6.2 亿吨氢的核聚变
这种能量，使我们人类得以生存。
理论上，只要有几克氘（重氢）和氚（超重氢）的混合反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人 60 年内所需的能量。
既然核聚变能产生如此大的能量，那我们人类能不能自己 DIY 这个过程，造出个「人造太阳」？
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没错，科学家们早就开始这么想了。
自从人类开启了和平利用核能的研究，如何在可控的条件下利用核聚变反应产生的能量，一直是人类的终极目标（而目前的核电站，原理是核裂变反应）。
但是，利用核聚变最大的难题之一是，核聚变过程本身也会消耗巨大的能量，该如何让核聚变反应释放出的能量大于输入的能量，而且让这个过程可持续呢？
从上世纪 50 年代以来，无数的物理学家就一直希望从核聚变反应中产生比消耗更多的能量。
如果攻克了这个最大的难题，人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源，彻底改变未来的能源路线图。
也就是说，到了那时，就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体，不再有危险、长效的放射性废物 —— 人类将得到真正意义上的「清洁能源」！
而现在看起来，这个难题的第一步已经被解决了。
据英国《金融时报》报道，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）从一个实验性核聚变反应堆中实现了「净能量增益」，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。
据消息人士透露，这次反应产生的能量是消耗能量的 120%，至少有两名研究人员证实了这一消息。
一位资深核聚变科学家对《华盛顿邮报》表示：「对我们大多数人来说，这只是一个时间问题。」
此次核聚变反应产生了大约 2.5 兆焦耳的能量，大约是激光器中 2.1 兆焦耳能量的 120%，目前具体数据仍在进一步分析中。
美国能源部和 LLNL 发言人均表示，目前无法评论《金融时报》的报道，不过美国能源部长 Jennifer Granholm 表示，将在今天晚些时候宣布一项「重大科学突破」。
核聚变专家亚瑟・特瑞尔（Arthur Turrell）博士表示，「如果这个结果得到最终证实，我们将见证一个历史性的时刻。」
四次复现全部失败，人类科技被智子锁死？
其实，之前的科学家们，就曾见证过这一奇迹。
2021 年 8 月，LLNL 曾宣布了一项重大突破：破纪录地产生了超过 10 万亿瓦的高能聚变能量 —— 虽然时长只有一秒不到。
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装置将最初的光子脉冲放大并分成 192 道紫外线激光束后，在不到 40 亿分之一秒的时间内以大约 1.9 兆焦耳的能量击中目标（装着冷冻的氘和氚），创造出只有在恒星和热核弹中才能见到的温度和压力。
面对如此强大的脉冲能量，原子核会因核聚变释放出一连串的粒子，并由此产生更多的聚变和更多的粒子，从而形成持续的聚变反应。
根据定义，当聚变反应产生的能量超过其消耗的能量时，就能成功「点火」。
而在 8 月的试验中，通过核聚变反应产生的能量，已经占到了输入能量的 70%，可以说非常接近点火了。
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然而，在接下来进行的 4 次试验中，都未能复现当时的结果。
其中效果最好的一次，也只达到了 8 月份实验所产生能量的 50%。
对此，研究人员分析认为，由于目前正处于聚变「点火」的临界点附近，所以不同实验间微小、偶然的差异都会对结果造成巨大影响。
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从重复实验的失败中不难看出，研究人员在很长一段时间内，仍然无法精准理解、操纵和预测这类高能实验。
甚至知友「氯甲烷」调侃称：「我觉得人类科技可能真的被智子锁死了」。
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复刻核聚变为何如此之难？
为什么人类想要复刻核聚变，会这么难呢？
这就要从核聚变反应的条件说起。
核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。
等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。
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从左至右：固体，液体，气体，等离子体
为了实现聚变，原子核需要在超过 1000 万摄氏度的极高温度下相互碰撞，以使它们能够克服相互间的电排斥力。
一旦原子核克服了这种排斥力，并进入彼此非常接近的范围，它们之间的核力吸引力将超过电排斥力，从而使它们能够实现聚变。
要做到这一点，众多原子核必须被约束在一个小空间内，以增加碰撞的机会。
在太阳中，存在巨大的引力，而这种引力所产生的极端压力，正为核聚变的发生创造了条件。
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在太阳内部，氢原子被加热到等离子体状态，电子不再围绕质子旋转，然后释放的原子核聚变形成氦原子和中子，释放出巨大能量
然而，太阳中有着能够诱发核聚变的巨大引力，我们人类却没有这样的自然条件。
在地球上，要想使氘和氚发生聚变，就需要超过 1 亿摄氏度的温度和强大的压力，还需要充分的约束，才能使等离子体和聚变反应保持足够长的时间。
现在，我们人类的实验中已经非常接近核聚变反应堆所需的条件，但仍需改进约束性能和等离子体的稳定性。
来自 50 多个国家的科学家们，在不断试验新材料，设计新技术。
不过，就像我们在上文所看到的，许多实验已实现聚变，但并未实现净功率增益。
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而这次突破，是否意味着我们就要用上纯粹的清洁能源了呢？其实并没有。
首先，即使单纯从数据上看，120% 的能量净增比例仍然是远远不够的。据科学家估计，如果要将核聚变技术落地实用，能量输出必须至少比进入的激光器的能量高出几倍才有可能。
而且，这次实验中的 NIF 的激光器效率极低，也就是说，实验中供给激光器的能量中，只有很小一部分实际进入了激光束中，实际参与了激发核聚变的反应中，大部分能量都被浪费掉了。
按照这种转换效率，即使未来的激光器（比如固态激光器）能够进一步提升转换效率，但距离 100% 的核聚变应用，仍然是很遥远的事情。
但是至少，我们实现了从 0 到 1 的一步。
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我国新一代「人造太阳」再次取得进展
建人造太阳的，不止是美国的科学家。
早在 20 世纪 50 年代，我国也开始了可控核聚变的研究。
与 LLNL 采用的「惯性约束聚变」方法不同，迄今为止大多数核聚变研究都采用名为「托卡马克」的圆环形反应堆。
它的原理是：在反应堆内，将氢气加热到足够高的温度，让电子从氢原子核中剥离，形成等离子体（带正电的核和带负电的电子云）。磁场将等离子体困在圆环形状的装置内，将原子核融合在一起，以中子的形式释放出能量向外飞去。
2020 年 12 月 4 日，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代「人造太阳」建成并实现了首次放电。
2022 年 10 月，相关研究再次取得重大进展 ——HL-2M 等离子体电流突破 100 万安培（1 兆安）。
这不仅创造了我国可控核聚变装置运行新纪录，也标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。
HL-2M 是我国目前规模最大、参数最高的托卡马克装置。
其核心参数是等离子体电流强度，而等离子体电流达到 100 万安培（1 兆安）是其实现聚变能源的必要条件，未来托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行。
此次突破意味着该装置未来可以在超过 1 兆安培的等离子体电流下常规运行，这对我国自主设计运行聚变堆具有重要意义。
总结一下
据悉，对于劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的这次实验的重大公告，美国能源部预计将在美国太平洋时间周二上午 7 点，也就是北京时间的今晚 23 点左右进行直播。
人类历史会被永远改变吗？晚上见分晓！
参考资料：
https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7
https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2022/12/12/nuclear-fusion-breakthrough-benefits/
https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1
https://www.163.com/dy/article/HF5BLDSD0511F2M4.html
